|
| Энергетические ресурсы мирового океана
Реферат по географии ученика гимназии №1530 10"МИФ" класса Кузина Виталия. Тема: "Энергетические ресурсы Мирового Океана". План 1.Вступление 2.Минеральные ресурсы Океана 3.Энергетические русурсы Океана 1.Термальная энергия 2.Энергия приливов 1.ПЭС Ранс 3.Энергия волн 1.Установки с пневматическим преобразователем 2.Волновая энергетическая установка "Каймей" 3.Норвежская промышленная волновая станция 4.Английский "Моллюск" 5.Волновой плот Коккерела 6."Утка Солтера" 4.Энергия ветра 5.Энергия течений 1.Система "Кориолис" 6."Соленая" энергия 1.Схема работы гидроосмотической электростанции 2.Схема работы подводной гидроосмотической станции 4.Заключение Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей ми- рового хозяйства, постоянно растущих потребностей более чем пяти- миллиардного населения Земли становится сейчас все более насущной. Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидро- электростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. Гидроэнергетические ресурсы в раз- витых странах используются практически полностью: большинство речных участков, пригодных для гидротехнического строи- тельства, уже освоены. Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энергетики. На конец 1989 года в мире построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однако сегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энер- гией. Топливом для АЭС служит урановая руда – дорогостоящее и труд- нодобываемое сырье, запасы которого ограничены. К тому же строи- тельство и эксплуатация АЭС сопряжены с большими трудностями и за- тратами. Лишь немногие страны сейчас продолжают строительство но- вых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды. С середины нашего века началось изучение энергетических ресур- сов океана, относящихся к "возобновляемым источникам энергии". Океан – гигантский аккумулятор и трансформатор солнечной энер- гии, преобразуемой в энергию течений, тепла и ветров. Энергия прили- вов – результат действия приливообразующих сил Луны и Солнца. Энергетические ресурсы океана представляют большую ценность как возобновляемые и практически неисчерпаемые. Опыт эксплуатации уже действующих систем океанской энергетики показывает, что они не приносят какого-либо ощутимого ущерба океанской среде. При проекти- ровании будущих систем океанской энергетики тщательно исследуется их воздействие на экологию. Минеральные ресурсы Океан служит источником богатых минеральных ресурсов. Они раз- деляются на химические элементы, растворенные в воде, полезные ис- копаемые, содержащиеся под морским дном, как в континентальных шельфах, так и за их пределами; полезные ископаемые на поверхности дна. Более 90% общей стоимости минерального сырья дает нефть и газ. Общая нефтегазовая площадь в пределах шельфа оценивается в 13 млн.кв.км (около ? его площади). Наиболее крупные районы добычи нефти и газа с морского дна – Персидский и Мексиканский заливы. Начата промысловая добыча газа и нефти со дна Северного моря. Шельф богат и поверхностными залежами, представленными мно- гочисленными россыпями на дне, содержащие металлические руды, а так же неметаллические ископаемые. На обширных площадях океана обнаружены богатые залежи желез- номарганцевых конкреций – своеобразных многокомпонентных руд, со- держащих так же никель, кобальт, медь и др. В то же время исследова- ния позволяют рассчитывать на обнаружение крупных залежей различ- ных металлов в конкретных породах, залегающих под дном океана. Термальная энергия Идея использования тепловой энергии, накопленной тропическими и субтропическими водами океана, была предложена еще в конце Х1Х в. Первые попытки ее реализации были сделаны в 30-х гг. нашего века и показали перспективность этой идеи. В 70-е гг. ряд стран приступил к проектированию и строительству опытных океанских тепловых электро- станций (ОТЭС), представляющих собой сложные крупногабаритные со- оружения. ОТЭС могут размещаться на берегу или находиться в океане (на якорных системах или в свободном дрейфе). Работа ОТЭС основана на принципе, используемом в паровой машине (см. рис.1). Котел, запол- ненный фреоном или аммиаком – жидкостями с низкими температурами кипения, омывается теплыми поверхностными водами. Образующийся пар вращает турбину, связанную с электрогенератором. Отработанный пар охлаждается водой из нижележащих холодных слоев и, конденсиру- ясь в жидкость, насосами вновь подается в котел. Расчетная мощность проектируемых ОТЭС составляет 250 – 400 МВт. Учеными Тихоокеанского океанологического института АН СССР было предложено и реализуется оригинальная идея получения электро- энергии на основе разности температур подледной воды и воздуха, ко- торая составляет в арктических районах 26 ?С и более. По сравнению с традиционными тепловыми и атомными электро- станциями ОТЭС оцениваются специалистами как более экономически эффективные и практически не загрязняющие океанскую среду. Недав- нее открытие гидротермальных источников на дне Тихого океана рожда- ют привлекательную идею создания подводных ОТЭС, работающих на разности температур источников и окружающих вод. Наиболее привле- кательными для размещения ОТЭС являются тропические и арктиче- ские широты (см. рис.2 и рис.3). Энергия приливов Использование энергии приливов началось уже в Х1 в. для работы мельниц и лесопилок на берегах Белого и Северного морей. До сих пор подобные сооружения служат жителям ряда прибрежных стран. Сейчас исследования по созданию приливных электростанций (ПЭС) ведутся во многих странах мира (см. таблицу1 и карту1). Два раза в сутки в одно и то же время уровень океана то поднима- ется, то опускается. Это гравитационные силы Луны и Солнца притяги- вают к себе массы воды. Вдали от берега колебания уровня воды не превышают 1 м, но у самого берега они могут достигать 13 м, как, на- пример, в Пенжинской губе на Охотском море. Приливные электростанции работают по следующему принципу: в устье реки или заливе строится плотина, в корпусе которой установле- ны гидроагрегаты. За плотиной создается приливный бассейн, который наполняется приливным течением, проходящим через турбины. При от- ливе поток воды устремляется из бассейна в море, вращая турбины в обратном направлении. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бас- сейна, от числа турбин, установленных в теле плотины. В некоторых проектах предусмотрены двух- и более бассейновые схемы ПЭС с целью выравнивания выработки электроэнергии. С созданием особых, капсульных турбин, действующих в обоих на- правлениях, открылись новые возможности повышения эффективности ПЭС при условии их включения в единую энергетическую систему ре- гиона или страны. При совпадении времени прилива или отлива с периодом наиболь- шего потребления энергии ПЭС работает в турбинном режиме, а при совпадении времени прилива или отлива с наименьшим потреблением энергии турбины ПЭС либо отключают, либо они работают в насосном режиме, наполняя бассейн выше уровня прилива или откачивая воду из бассейна. В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная ПЭС. В здании электро- станции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт. Десятилетний опыт эксплуатации первой ПЭС позволил приступить к составлению проектов Мезенской ПЭС на Белом море, Пенжинской (см. рис.4) и Тугурской на Охотском море. Использование великих сил приливов и отливов Мирового океана, даже самих океанских волн – интересная проблема. К решению ее еще только приступают. Тут многое предстоит изучать, изобретать, конструи- ровать. ПЭС РАНС В 1966 г. во Франции на реке Ранс построена первая в мире прилив- ная электростанция, 24 гидроагрегата которой вырабатывают в среднем за год 502 млн. кВт. час электроэнергии. Для этой станции разработан при- ливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропу- скное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС Ранс экономически оправдана. Годовые из- держки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений. Энергия волн Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 г. советским ученым К.Э.Циолковским. В основе работы волновых энергетических станций лежит воздей- ствие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятни- ков, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую. В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попут- но крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащи- ты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хо- зяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире про- мышленная волновая станция мощностью 850 кВт. Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффек- тивно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже тради- ционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости. Установки с пневматическим преобразователем В волновых установках с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое на- правление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэл- лса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неиз- менным направление своего вращения при смене направления воздуш- ного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направле- ние вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в раз- личных волноэнергетических установках. Волновая энергетическая установка "Каймей" Волновая энергетическая установка "Каймей" ("Морской свет") – самая мощная действующая энергетическая установка с пневматиче- скими преобразователями – построена в Японии в 1976 г. Она использу- ет волнение высотой до 6 – 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м, высотой в носовой части 7 м, в кормовой – 2,3 м, водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу; каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруо- ка. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км, Норвежская промышленная волновая станция В 1985 г. в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген по- строена промышленная волновая станция, состоящая из двух устано- вок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневма- тическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня вы- сотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему кла- панов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла 1,2 млн. кВт.ч. Зим- ним штормом в конце 1988 г. башня станции была разрушена. Разра- батывается проект новой башни из железобетона. Конструкция второй установки состоит из конусовидного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и ши- риной в основании 55 м, входящего в резервуар между островами, от- деленный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой. Волны, проходя по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар площадью 5500 кв. м, уровень ко- торого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. кВт. ч электроэнергии. Английский "Моллюск" В Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа "моллюск", в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки – камеры, в которых находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный по- ток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами. Сейчас создается опытная плавучая установка из 6 камер, укреп- ленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин, укреплен- ных на каркасе диаметром 60 м и высотой 7 м. Теоретическая мощ- ность такой установки до 1200 кВт. Волновой плот Коккерела Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испыта- ния опытных моделей океанских электростанций, в основе которых ле- жит аналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шар- нирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Кокке- рела длиной 100 м , шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт. В СССР модель волнового плота испытывалась в 700-х гг. на Чер- ном море. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м . На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 – 15 м установка развивала мощность 150 кВт. "Утка Солтера" Проект, известный под названием "утка Солтера", представляет со- бой преобразователь волновой энергии (см. рис.5). Рабочей конструкци- ей является поплавок ("утка"), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте предусматривается монтаж большого количе- ства крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между по- плавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая элек- троэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 – 30 поплав- ков. В 1978 г. была испытана модель установки длиной 50 м, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт. Разработан проект более мощной установки из 20 – 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 тыс.кВт. Подобные системы установлены у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнер- гии. Энергия ветра Использование энергии ветра имеет многовековую историю. Идея преобразования энергии ветра в электрическую возникла в конце Х1Хв. В СССР первая ветровая электростанция (ВЭС) мощностью 100 кВт бы- ла построена в 1931 г. у города Ялта в Крыму. Тогда это была крупней- шая ВЭС в мире. Среднегодовая выработка станции составляла 270 МВт.час. В 1942 г. станция была разрушена. В период энергетического кризиса 70-х гг. интерес к использованию энергии возрос. Началась разработка ВЭС как для прибрежной зоны, так и для открытого океана. Океанские ВЭС способны вырабатывать энер- гии больше, чем расположенные на суше, поскольку ветры над океаном более сильные и постоянные. Строительство ВЭС малой мощности (от сотен ватт до десятков ки- ловатт) для энергоснабжения приморских поселков, маяков, опресни- телей морской воды считается выгодным при среднегодовой скорости ветра 3,5-4 м/с. Возведение ВЭС большой мощности (от сотен киловатт до сотен мегаватт) для передачи электроэнергии в энергосистему стра- ны оправдано там, где среднегодовая скорость ветра превышает 5,5-6 м/с. (Мощность, которую можно получить с 1 кв.м поперечного сечения воздушного потока, пропорциональна скорости ветра в третьей степени). Так, в Дании – одной из ведущих стран мира в области ветроэнергетики действует уже около 2500 ветровых установок общей мощностью 200 МВт. На тихоокеанском побережье США в Калифорнии, где скорость вет- ра 13 м/с и больше наблюдается в продолжение более 5 тыс, ч в году, работает уже несколько тысяч ветровых установок большой мощности. ВЭС различной мощности действуют в Норвегии, Нидерландах, Швеции, Италии, Китае, России и других странах. В связи с непостоянством ветра по скорости и направлению боль- шое внимание уделяется созданию ветроустановок, работающих с дру- гими источниками энергии. Энергию крупных океанских ВЭС предполага- ется использовать при производстве водорода из океанской воды или при добыче полезных ископаемых со дна океана. Еще в конце Х1Х в. ветряной электродвигатель использовался Ф.Нансеном на судне "Фрам" для обеспечения участников полярной экс- педиции светом и теплом во время дрейфа во льдах. В Дании на полуострове Ютландия в бухте Эбельтофт с 1985 г. дей- ствуют шестнадцать ВЭС мощностью 55 кВт каждая и одна ВЭС мощно- стью 100 кВт. Ежегодно они вырабатывают 2800-3000 МВт.ч. Существует проект прибрежной электростанции, использующей энергию ветра и прибоя одновременно (см. рис.6). Энергия течений Наиболее мощные течения океана – потенциальный источник энер- гии(см.карту1). Современный уровень техники позволяет извлекать энер- гию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 кв.м поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. куб.м/с, скорость до 1,8 м/с). Для океанской энергетики представляют интерес течения в проли- вах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок боль- ших размеров, представляющих угрозу судоходству. Система "Кориолис" Программа " Кориолис" предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных на- правлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эф- фективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система "Кориолис" общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксиро- вать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать су- доходству. Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуата- цию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%. Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт. "Соленая" энергия Соленая вода океанов и морей таит в себе огромные неосвоенные запасы энергии, которая может быть эффективно преобразована в дру- гие формы энергии в районах с большими градиентами солености, ка- кими являются устья крупнейших рек мира, таких как Амазонка, Парана, Конго и др. Осмотическое давление, возникающее при смешении пре- сных речных вод с солеными, пропорционально разности в концентра- циях солей в этих водах. В среднем это давление составляет 24 атм., а при впадении реки Иордан в Мертвое море 500 атм. В качестве источни- ка осмотической энергии предполагается также использовать соляные купола, заключенные в толще океанского дна. Расчеты показали, что при использовании энергии, полученной при растворении соли среднего по запасам нефти соляного купола, можно получить не меньше энергии, чем при использовании содержащейся в нем нефти. Работы по преобразованию "соленой" энергии в электрическую на- ходятся на стадии проектов и опытных установок. Среди предлагаемых вариантов представляют интерес гидроосмотические устройства с полу- проницаемыми мембранами. В них происходит всасывание растворите- ля через мембрану в раствор. В качестве растворителей и растворов ис- пользуются пресная вода – морская вода или морская вода – рассол. Последний получают при растворении отложений соляного купола. Схема работы гидроосмотической электростанции В гидроосмотической камере рассол из соляного купола смешивает- ся с морской водой. Отсюда проходящая через полупроницаемую мем- брану вода под давлением поступает на турбину, соединенную с элек- трогенератором (см. рис.7). Схема работы подводной гидроосмотической станции Подводная гидроосмотическая гидроэлектростанция размещается на глубине более 100 м. Пресная вода подается к гидротурбине по тру- бопроводу. После турбины она откачивается в море осмотическими на- сосами в виде блоков полупроницаемых мембран остатки речной воды с примесями и растворенными солями удаляются промывочным насосом (см. рис.8). Морские водоросли как источник энергии В биомассе водорослей, находящихся в океане, заключается огром- ное количество энергии. Предполагается использовать для переработки на топливо как прибрежные водоросли, так и фитопланктон. В качестве основных способов переработки рассматриваются сбраживание угле- водов водорослей в спирты и ферментация больших количеств водорос- лей без доступа воздуха для производства метана. Разрабатывается также технология переработки фитопланктона для производства жидко- го топлива. Эту технологию предполагается совместить с эксплуатацией океанских термальных электростанций. Подогретые глубинные воды ко- торых будут обеспечивать процесс разведения фитопланктона теплом и питательными веществами. Комплекс "Биосоляр" В проекте комплекса "Биосоляр" обосновывается возможность не- прерывного разведения микроводоросли хлорелла в специальных кон- тейнерах, плавающих по поверхности открытого водоема. Комплекс включает систему связанных гибкими трубопроводами плавающих кон- тейнеров на берегу или морской платформе оборудование для перера- ботки водорослей. Контейнеры, играющие роль культиваторов, пред- ставляют собой плоские ячеистые поплавки из армированного полиэти- лена, открытые сверху для доступа воздуха и солнечного света. Трубо- проводами они связаны с отстойником и регенератором. В отстойник от- качивается часть продукции для синтеза, а из регенератора в контейне- ры поступают питательные вещества – остаток от анаэробной перера- ботки в метантенке. Получаемый в нем биогаз содержит метан и угле- кислый газ (см. рис.9). Предлагаются и совсем экзотические проекты. В одном из них рас- сматривается, например, возможность установки электростанции прямо на айсберге. Холод, необходимый для работы станции, можно получать ото льда, а полученная энергия используется для передвижения ги- гантской глыбы замороженной пресной воды в те места земного шара, где ее очень мало, например в страны Ближнего Востока. Другие ученые предлагают использовать полученную энергию для организации морских ферм, производящих продукты питания. Взоры ученых постоянно обращаются к неисчерпаемому источнику энергии – океану. Океан, выпестовавший когда-то саму жизнь на Земле, еще не раз послужит человеку добрым помощником. Греческая армия была разбита. Преследуемые войсками персидского царя Артаксеркса П, потеряв- шие веру в свое спасение, остатки ее отрядов брели через пустыню. Но вот на горизонте заблестело мо- ре. Море, где их ждали корабли. Море, за которым лежала их любимая родина Море, по которому мож- но было уйти от персидской армии. И предводитель греков Ксенофонт, как гласит предание, воскликнул: "Море, море! Оно спасет нас!" Близок час, когда бурно растущее человечество обратит свои полные надежды взоры к морю и тоже воскликнет: "Море спасет нас! Море обеспечит нам обилие продуктов питания. Море даст нашей про- мышленности любое необходимое минеральное сы- рье. Море снабдит нас неисчерпаемыми источника- ми энергии. Море станет местом нашего обитания!" Список литературы 1. Человек и океан. Громов Ф.Н Горшков С.Г. С.-П., ВМФ, 1996 г. - 318 с. 2. Энергия, век двадцать первый. Володин В.В., Хазановский П.М."Детская литература", 1989 г. – 142 с. 3. Большая советская энциклопедия (в 30-ти томах) т.18 – 633 с. 4. Энциклопедический словарь юного техника. Сост. Зубков Б.В., М.; "Педагогика", 1988 г. – 464 с. 5. Энциклопедия для детей. М., "Аванта +", 1994 г. – 640 с. 6 13 |